JP2018120747A - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解質膜−電極接合体を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が、冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータであり、冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が形成された2枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックに関するものである。 In the present invention, at least one of the two separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly is an intermediate separator in which no cooling medium flow path is formed, and a cooling medium flow path for supplying a cooling medium is formed. The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are interposed between two cooling separators.
固体高分子形燃料電池は、電解質膜の両主面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を配置し、さらにその外側にガス通気性と導電性を兼ね備えた一対のガス拡散層を配置してアノードおよびカソードを構成した電解質膜−電極接合体を有する。 A polymer electrolyte fuel cell has a catalytic reaction layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst on both main surfaces of an electrolyte membrane, and further has gas permeability and conductivity on the outside. An electrolyte membrane-electrode assembly having an anode and a cathode arranged by arranging a pair of gas diffusion layers.
そして、上記構成を有する燃料電池のアノードに水素を含む燃料ガスを供給し、カソードに酸素を含む酸化剤ガスを供給することで、電気エネルギーを継続的に取り出すことができる。 Then, by supplying a fuel gas containing hydrogen to the anode of the fuel cell having the above structure and supplying an oxidant gas containing oxygen to the cathode, electric energy can be continuously taken out.
また、燃料ガスと酸化剤ガスとが混ざらないようにするため、セパレータが各電解質膜−電極接合体の間に配置される。電解質膜−電極接合体を一対のセパレータで挟持したものをセルと呼ぶ。また、セルが2つ以上で構成された単位構造をセルモジュールと呼ぶ。セルまたはセルモジュールを電気的に直列になるように複数積層することで、必要な電力を確保することが可能となる。 In order to prevent the fuel gas and the oxidant gas from being mixed, a separator is disposed between each electrolyte membrane-electrode assembly. A cell in which an electrolyte membrane-electrode assembly is sandwiched between a pair of separators is called a cell. A unit structure composed of two or more cells is called a cell module. Necessary electric power can be secured by stacking a plurality of cells or cell modules so as to be electrically in series.
燃料電池スタックは、複数積層されたセルまたはセルモジュールの外両端に外部回路と接続して電力を取り出すための端子を具備した一対の集電板が配置され、さらに集電板の外両端には一対の端板が配置されて構成される。 In the fuel cell stack, a pair of current collecting plates having terminals for connecting to an external circuit and taking out electric power are arranged at both outer ends of a plurality of stacked cells or cell modules, and further, at both outer ends of the current collecting plates. A pair of end plates are arranged.
また、燃料電池は発電反応により発熱するため、冷却媒体を供給して冷却する必要がある。燃料電池スタックは一般的に、セパレータのアノードまたはカソードと接する面の反対の面に冷却媒体を供給するための冷却媒体流路が形成されて冷却される。 Further, since the fuel cell generates heat due to a power generation reaction, it is necessary to cool it by supplying a cooling medium. In general, the fuel cell stack is cooled by forming a cooling medium flow path for supplying a cooling medium to a surface of the separator opposite to the surface in contact with the anode or the cathode.
さらに、燃料ガス流路または酸化剤ガス流路と冷却媒体流路が形成された冷却セパレータと、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が形成され冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータとで構成された燃料電池スタックが提案されている。この燃料電池スタックによれば、冷却セパレータの枚数を減らすことができるため、燃料電池スタックの省スペース化と低コスト化が可能となる。 Further, a cooling separator in which a fuel gas passage or an oxidant gas passage and a cooling medium passage are formed, an intermediate separator in which a fuel gas passage and an oxidant gas passage are formed and no cooling medium passage is formed, Has been proposed. According to this fuel cell stack, since the number of cooling separators can be reduced, it is possible to reduce the space and cost of the fuel cell stack.
また、冷却セパレータと中間セパレータを有して構成される燃料電池スタックとして、冷却セパレータの燃料ガス流路の流路断面積よりも中間セパレータの燃料ガス流路の流路断面積の方を大きくする構成が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, as a fuel cell stack having a cooling separator and an intermediate separator, the flow path cross-sectional area of the fuel gas flow path of the intermediate separator is made larger than the flow cross-sectional area of the fuel gas flow path of the cooling separator. A configuration has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
図5は、特許文献1に記載された従来の燃料電池スタックのセルモジュールの主要断面を示すものである。
FIG. 5 shows a main cross section of a cell module of a conventional fuel cell stack described in
図5に示すように、セルモジュール201は、第一冷却セパレータ202、第一電解質膜−電極接合体203、中間セパレータ204、第二電解質膜−電極接合体205、第二冷却セパレータ206の順に積層されて構成される。
As shown in FIG. 5, the
第一電解質膜−電極接合体203は、第一電解質膜207と、第一電解質膜207の両面に形成される第一アノード触媒層208及び第一カソード触媒層209と、第一アノード触媒層208と第一カソード触媒層209の外両端に設けられた第一ガス拡散層210と、で構成されている。
The first electrolyte membrane-
また、第一電解質膜−電極接合体203は、第一アノード触媒層208及び第一アノード触媒層208の外側に設けられた第一ガス拡散層210とで形成された第一アノード211が、第一冷却セパレータ202に接するように設けられ、さらに、第一カソード触媒層209及び第一カソード触媒層209の外側に設けられた第一ガス拡散層210とで形成された第一カソード212が、中間セパレータ204に接するように設けられる。
The first electrolyte membrane-
第二電解質膜−電極接合体205は、第二電解質膜213と、第二電解質膜213の両面に形成される第二アノード触媒層214及び第二カソード触媒層215と、第二アノード触媒層214と第二カソード触媒層215の外両端に設けられた第二ガス拡散層216と、で構成されている。
The second electrolyte membrane-
また、第二電解質膜−電極接合体205は、第二アノード触媒層214及び第二アノード触媒層214の外側に設けられた第二ガス拡散層216とで形成された第二アノード217が、中間セパレータ204に接するように設けられ、さらに、第二カソード触媒層215及び第二カソード触媒層215の外側に設けられた第二ガス拡散層216とで形成された第二カソード218が、第二冷却セパレータ206に接するように設けられている。
The second electrolyte membrane-
第一冷却セパレータ202は、第一アノード211に接する面に第一燃料ガス流路219が形成され、第一アノード211と接する面と反対の面に第一冷却媒体流路220が形成されている。
The
また、中間セパレータ204は、第一カソード212に接する面に第二酸化剤ガス流路221が形成され、第二アノード217に接する面に第二燃料ガス流路222が形成されている。また、第一燃料ガス流路219の流路断面積よりも第二燃料ガス流路222の流路断面積の方が大きくなっている。
The
また、第二冷却セパレータ206は、第二カソード218に接する面に第一酸化剤ガス流路223が形成され、第二カソード218に接する面と反対の面に第二冷却媒体流路224が形成されている。
The
なお、図示しないが、従来の燃料電池スタックは、セルモジュール201が複数積層されて構成されており、第一冷却セパレータ202と第二冷却セパレータ206が表裏の関係となることで、第一冷却媒体流路220と第二冷却媒体流路224とで冷却媒体流路が形成されている。
Although not shown in the drawings, the conventional fuel cell stack is configured by stacking a plurality of
第一冷却セパレータ202と第二冷却セパレータ206は冷却媒体流路を流れる冷却媒体により冷却されるが、中間セパレータ204は、冷却媒体との間に第一冷却セパレータ202と第一電解質膜−電極接合体203と第二冷却セパレータ206と第二電解質膜−電極接合体205を介して冷却されるため、第一冷却セパレータ202及び第二冷却セパ
レータ206の温度よりも中間セパレータ204の温度の方が高くなる。
The
第一冷却セパレータ202及び第二冷却セパレータ206の温度よりも中間セパレータ204の温度の方が高くなると、第一冷却セパレータ202に形成された第一燃料ガス流路219を流れる水素の温度よりも中間セパレータ204に形成された第二燃料ガス流路222を流れる水素の温度の方が高くなる。
When the temperature of the
また、第二冷却セパレータ206に形成された第一酸化剤ガス流路223を流れる空気の温度よりも中間セパレータ204に形成された第二酸化剤ガス流路221を流れる空気の温度の方が高くなる。
Further, the temperature of the air flowing through the first
ここで、気体温度と気体粘度の関係について述べる。図6は、気体温度と気体粘度の相関を示す特性図である。 Here, the relationship between gas temperature and gas viscosity will be described. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the correlation between gas temperature and gas viscosity.
図6に示すように、水素と空気の粘度は温度上昇により増加する特性を持ち、さらに、水素の温度に対する粘度変化量よりも空気の温度に対する粘度変化量の方が大きくなる。 As shown in FIG. 6, the viscosity of hydrogen and air has a characteristic of increasing as the temperature rises, and the amount of change in viscosity with respect to the temperature of air is greater than the amount of change in viscosity with respect to the temperature of hydrogen.
また、圧損は粘度に比例するため、第一燃料ガス流路219の圧損を基準としたときの第二燃料ガス流路222の圧損の増加率よりも、第一酸化剤ガス流路223の圧損を基準としたときの第二酸化剤ガス流路221の圧損の増加率の方が大きくなる。
Further, since the pressure loss is proportional to the viscosity, the pressure loss of the first oxidant
圧損が高くなると流体は流れにくくなるため、第一燃料ガス流路219に供給される水素量を基準としたときの第二燃料ガス流路222に供給される水素量の低下率よりも、第一酸化剤ガス流路223に供給される空気量を基準としたときの第二酸化剤ガス流路221に供給される空気量の低下率の方が大きくなる。
Since the fluid becomes difficult to flow when the pressure loss becomes high, the fluid is less than the rate of decrease in the amount of hydrogen supplied to the second
このことから特許文献1の構成では、第一酸化剤ガス流路223の流路断面積と第二酸化剤ガス流路221の流路断面積が同じため、第一酸化剤ガス流路223に供給される空気量よりも第二酸化剤ガス流路221に供給される空気量の方が少なくなり、発電性能が低下するという課題を有する。
Therefore, in the configuration of
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、電解質膜−電極接合体を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が、冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータであっても発電性能低下を抑制することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and even if at least one of the two separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly is an intermediate separator in which no cooling medium flow path is formed, power generation performance is reduced. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack that can be suppressed.
前記従来の課題を解決するために本発明の燃料電池スタックは、アノードとカソードとで電解質膜を挟んだ電解質膜−電極接合体と、冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却セパレータと、冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータと、を備え、電解質膜−電極接合体を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、2枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであって、間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する2枚の冷却セパレータのうちの一方の冷却セパレータは、酸化剤ガスをカソードに供給するための第一酸化剤ガス流路を有し、中間セパレータは、酸化剤ガスをカソードに供給するための第二酸化剤ガス流路を有し、第二酸化剤ガス流路の流路断面積が、第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも大きいものである。 In order to solve the conventional problems, a fuel cell stack of the present invention includes an electrolyte membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, a cooling separator in which a cooling medium flow path through which a cooling medium flows is formed. An intermediate separator in which no cooling medium flow path is formed, at least one of the two separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly is an intermediate separator, and a plurality of electrolyte membranes between the two cooling separators A fuel cell stack in which an electrode assembly is interposed, and one of the two cooling separators in which a plurality of electrolyte membranes and electrode assemblies are interposed is for supplying an oxidant gas to the cathode A first oxidant gas flow path, the intermediate separator has a second oxidant gas flow path for supplying oxidant gas to the cathode, and a cross section of the second oxidant gas flow path But it is larger than the flow path cross-sectional area of the first oxidizing gas channel.
こうすることによって、第一酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなっても、第二酸化剤ガス流路の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路の圧損と等しくできるため、第一酸化剤ガス流路と第
二酸化剤ガス流路へ均一に酸化剤ガスを供給することが可能となる。
In this way, even if the temperature of the oxidant gas flowing through the first oxidant gas flow path is higher than the temperature of the oxidant gas flowing through the first oxidant gas flow path, the pressure loss of the first oxidant gas flow path is increased. Therefore, it is possible to supply the oxidant gas uniformly to the first oxidant gas flow path and the second oxidant gas flow path.
本発明の燃料電池スタックは、電解質膜−電極接合体を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、2枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであっても、発電性能低下を抑制して良好な発電性能を維持することが可能となる。 In the fuel cell stack of the present invention, at least one of two separators sandwiching an electrolyte membrane-electrode assembly is an intermediate separator, and a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are interposed between two cooling separators. Even in the stack, it is possible to suppress a decrease in power generation performance and maintain good power generation performance.
第1の発明は、アノードとカソードとで電解質膜を挟んだ電解質膜−電極接合体と、冷却媒体が流れる冷却媒体流路が形成された冷却セパレータと、冷却媒体流路が形成されていない中間セパレータと、を備え、電解質膜−電極接合体を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、2枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであって、間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する2枚の冷却セパレータのうちの一方の冷却セパレータが、酸化剤ガスをカソードに供給するための第一酸化剤ガス流路を有し、中間セパレータが、酸化剤ガスをカソードに供給するための第二酸化剤ガス流路を有し、第二酸化剤ガス流路の流路断面積が、第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも大きい燃料電池スタックである。 The first invention includes an electrolyte membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, a cooling separator in which a cooling medium flow path through which a cooling medium flows is formed, and an intermediate in which no cooling medium flow path is formed. A fuel cell stack in which at least one of the two separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly is an intermediate separator and a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are interposed between the two cooling separators. One of the two cooling separators having a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies interposed therebetween has a first oxidant gas flow path for supplying oxidant gas to the cathode. The intermediate separator has a second dioxide gas channel for supplying the oxidant gas to the cathode, and the sectional area of the first oxidant gas channel is the sectional area of the first oxidant gas channel. Greater than It is have a fuel cell stack.
上記構成により、第一酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなっても、第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも第二酸化剤ガス流路の流路断面積の方が大きいため、第二酸化剤ガス流路の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路の圧損と等しくできる。 With the above configuration, even if the temperature of the oxidant gas flowing through the second dioxide gas channel is higher than the temperature of the oxidant gas flowing through the first oxidant gas channel, Since the cross-sectional area of the first dioxide gas flow path is larger than the cross-sectional area of the road, it is possible to prevent an increase in pressure loss of the second dioxide gas flow path and to equalize the pressure loss of the first oxidant gas flow path.
こうすることによって、第一酸化剤ガス流路と第二酸化剤ガス流路へ均一に酸化剤ガスを供給することが可能となり、電解質膜−電極接合体を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、2枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであっても、発電性能低下を抑制して良好な発電性能を維持することができる。 By doing so, it becomes possible to supply the oxidant gas uniformly to the first oxidant gas flow path and the second dioxide gas flow path, and at least one of the two separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly is intermediate. Even in a fuel cell stack that is a separator and in which a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are interposed between two cooling separators, good power generation performance can be maintained while suppressing a decrease in power generation performance.
第2の発明は、特に、第1の発明において、間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する2枚の冷却セパレータのうちの他方の冷却セパレータが、燃料ガスをアノードに供給するための第一燃料ガス流路を有し、中間セパレータが、燃料ガスをアノードに供給するための第二燃料ガス流路を有し、第二燃料ガス流路の流路断面積が、第一燃料ガス流路の流路断面積よりも大きいものである。 According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the other cooling separator of the two cooling separators having a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies interposed therebetween supplies the fuel gas to the anode. A first fuel gas flow path, the intermediate separator has a second fuel gas flow path for supplying fuel gas to the anode, and the cross-sectional area of the second fuel gas flow path is defined as the first fuel gas flow path; It is larger than the channel cross-sectional area of the channel.
上記構成により、第一酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなっても、第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも第二酸化剤ガス流路の流路断面積の方が大きいため、第二酸化剤ガス流路の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路の圧損と等しくできる。 With the above configuration, even if the temperature of the oxidant gas flowing through the second dioxide gas channel is higher than the temperature of the oxidant gas flowing through the first oxidant gas channel, Since the cross-sectional area of the first dioxide gas flow path is larger than the cross-sectional area of the road, it is possible to prevent an increase in pressure loss of the second dioxide gas flow path and to equalize the pressure loss of the first oxidant gas flow path.
さらに、第一燃料ガス流路を流れる燃料ガスの温度よりも第二燃料ガス流路を流れる燃料ガスの温度の方が高くなっても、第一燃料ガス流路の流路断面積よりも第二燃料ガス流路の流路断面積の方が大きいため、第二燃料ガス流路の圧損の増加を防止して第一燃料ガス流路の圧損と等しくできる。 Furthermore, even if the temperature of the fuel gas flowing through the second fuel gas flow path is higher than the temperature of the fuel gas flowing through the first fuel gas flow path, Since the cross-sectional area of the two fuel gas passages is larger, an increase in the pressure loss of the second fuel gas passage can be prevented and the pressure loss of the first fuel gas passage can be made equal.
こうすることによって、第一酸化剤ガス流路と第二酸化剤ガス流路へ均一に酸化剤ガスを供給することが可能となると共に、第一燃料ガス流路と第二燃料ガス流路へ均一に燃料ガスを供給することが可能となり、電解質膜−電極接合体を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、2枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであっても、発電性能低下を確実に抑制して良好な発電性能を維持することができる。 By doing so, it becomes possible to supply the oxidant gas uniformly to the first oxidant gas flow path and the second dioxide gas flow path, and to the first fuel gas flow path and the second fuel gas flow path uniformly. It is possible to supply fuel gas, and at least one of the two separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly is an intermediate separator, and a plurality of electrolyte membrane-electrode assemblies are interposed between the two cooling separators. Even in the fuel cell stack, it is possible to reliably suppress a decrease in power generation performance and maintain good power generation performance.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the present embodiment.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における燃料電池スタックの斜視図を示すものである。また、図2は、本発明の実施の形態1における燃料電池スタックを、図1のI−I線で切断したときのセルモジュール断面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack according to
図1に示すように、実施の形態1における燃料電池スタック101Aは、複数積層されたセルモジュール1aの外両端に、外部電流ケーブルと接続するための取り出し端子3を備えた集電板2a、集電板2bと、集電板2a、集電板2bの外両脇に設けられた絶縁性を備える端板4a、端板4bと、端板4aに接続された燃料ガス供給配管5と、冷却媒体供給配管6と、酸化剤ガス供給配管7と、燃料ガス排出配管8と、冷却媒体排出配管9及び酸化剤ガス排出配管10とで、構成される。
As shown in FIG. 1, a
図2に示すように、実施の形態1におけるセルモジュール1aは、第一冷却セパレータ11、第一電解質膜−電極接合体12、中間セパレータ13a、第二電解質膜−電極接合体14、第二冷却セパレータ15の順に積層されて構成される。
As shown in FIG. 2, the cell module 1a in
第一電解質膜−電極接合体12は、第一電解質膜16と、第一電解質膜16の両面に形成される第一アノード触媒層17及び第一カソード触媒層18と、第一アノード触媒層17と第一カソード触媒層18の外両端に設けられた第一ガス拡散層19と、で構成されている。
The first electrolyte membrane-
また、第一電解質膜−電極接合体12は、第一アノード触媒層17及び第一アノード触媒層17の外側に設けられた第一ガス拡散層19とで形成された第一アノード20が、第一冷却セパレータ11に接するように設けられ、さらに、第一カソード触媒層18及び第一カソード触媒層18の外側に設けられた第一ガス拡散層19とで形成された第一カソード21が、中間セパレータ13aに接するように設けられる。
The first electrolyte membrane-
第二電解質膜−電極接合体14は、第二電解質膜22と、第二電解質膜22に形成される第二アノード触媒層23及び第二カソード触媒層24と、第二アノード触媒層23と第二カソード触媒層24の外両端に設けられた第二ガス拡散層25と、で構成される。
The second electrolyte membrane-
また、第二電解質膜−電極接合体14は、第二アノード触媒層23及び第二アノード触媒層23の外側に設けられた第二ガス拡散層25とで形成された第二アノード26が、中間セパレータ13aに接するように設けられ、さらに、第二カソード触媒層24及び第二
カソード触媒層24の外側に設けられた第二ガス拡散層25とで形成された第二カソード27が、第二冷却セパレータ15に接するように設けられている。
The second electrolyte membrane-
第一冷却セパレータ11は、第一アノード20に接する面に第一燃料ガス流路28が形成され、第一アノード20と接する面と反対の面に第一冷却媒体流路29が形成される。第二冷却セパレータ15は、第二カソード27に接する面に第一酸化剤ガス流路32が形成され、第二カソード27と接する面と反対の面に第二冷却媒体流路34が形成される。
In the
中間セパレータ13aは、第一カソード21に接する面に第二酸化剤ガス流路30が形成され、第二アノード26に接する面に第二燃料ガス流路31aが形成される。
The
また、第二酸化剤ガス流路30の流路断面積は第一酸化剤ガス流路32の流路断面積よりも大きく構成されており、第二酸化剤ガス流路30の流路断面積は第一酸化剤ガス流路32の流路断面積の1.2倍とする。
The cross-sectional area of the first
また、ガスシール性を有するガスケット33が、第一冷却セパレータ11と中間セパレータ13aと第一電解質膜−電極接合体12間に配置され、さらに、第二冷却セパレータ15と中間セパレータ13aと第二電解質膜−電極接合体14間に配置されている。
A
また、図示しないが、燃料電池スタック101Aはセルモジュール1aが複数積層されて構成されているため、第一冷却セパレータ11と第二冷却セパレータ15が表裏の関係となり、第一冷却媒体流路29と第二冷却媒体流路34とで冷却媒体流路が形成されている。
Although not shown, since the
集電板2a及び集電板2bは、適度な機械的強度と導電性を有する部材である。本実施の形態では、銅に金メッキを施したものを用いる。端板4a及び端板4bは、電気的絶縁性と適度な機械的強度を有する部材である。本実施の形態では、熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイド樹脂を用いる。 The current collector plate 2a and the current collector plate 2b are members having appropriate mechanical strength and conductivity. In the present embodiment, copper plated with gold is used. The end plate 4a and the end plate 4b are members having electrical insulation and appropriate mechanical strength. In this embodiment, a polyphenylene sulfide resin that is a thermoplastic resin is used.
第一冷却セパレータ11及び第二冷却セパレータ15及び中間セパレータ13aは、適度な機械的強度と導電性を有する部材である。本実施の形態では、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いる。
The
第一電解質膜16及び第二電解質膜22は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜である。本実施の形態では、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜(米国DuPont社製のNafion(登録商標))を用いる。
The
第一ガス拡散層19及び第二ガス拡散層25は、導電性及び撥水性を有する多孔質の部材である。本実施の形態では、カーボンペーパーを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材に、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子樹脂である、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を分散させて構成された部材を用いる。
The first
第一アノード20及び第二アノード26は、水素の酸化反応に対する触媒を含む層である。また、第一カソード21及び第二カソード27は、酸素の還元反応に対する触媒を含む層である。本実施の形態では、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いる。
The
ガスケット33は、適度な機械的強度と柔軟性を有する合成樹脂である。本実施の形態では、フッ素ゴムを用いる。
The
以上のように構成された燃料電池スタック101Aについて、以下その動作、作用を説明する。
The operation and action of the
まず、第二冷却セパレータ15の温度よりも中間セパレータ13aの温度の方が高いため、第一酸化剤ガス流路32を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路30を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなる。
First, since the temperature of the
ここで、セルモジュール1aは、第一酸化剤ガス流路32の流路断面積よりも第二酸化剤ガス流路30の流路断面積の方が大きいため、第二酸化剤ガス流路30の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路32の圧損と等しくできる。
Here, since the cell module 1 a has a larger channel cross-sectional area of the first oxidant
こうすることによって、第一酸化剤ガス流路32と第二酸化剤ガス流路30へ均一に酸化剤ガスを供給することが可能となり、電解質膜−電極接合体(第一電解質膜−電極接合体12と第二電解質膜−電極接合体14)を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータ13aであり、2枚の冷却セパレータ(第一冷却セパレータ11及び第二冷却セパレータ15)の間に複数の電解質膜−電極接合体(第一電解質膜−電極接合体12と第二電解質膜−電極接合体14)が介在する燃料電池スタック101Aであっても、発電性能低下を抑制して良好な発電性能を維持することができる。
By doing so, it becomes possible to supply the oxidant gas uniformly to the first oxidant
なお、本実施の形態では、第一冷却セパレータ11に形成された第一冷却媒体流路29と、第二冷却セパレータ15に形成された第二冷却媒体流路34とで冷却媒体流路を形成したが、第一冷却セパレータ11と第二冷却セパレータ15が一体成型されたセパレータとし、さらに、一体成型されたセパレータの内部に冷却媒体流路が形成されても良い。
In the present embodiment, a cooling medium flow path is formed by the first cooling
また、第一冷却セパレータ11及び第二冷却セパレータ15及び中間セパレータ13aには黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材を用いたが、これ以外にも、カーボン粉末と熱過疎性樹脂の混練物を加熱成型して形成された部材や、チタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施し金属材料を使用することができる。
Moreover, although the member formed by heat-molding the kneaded material of graphite powder and a thermosetting resin was used for the
第一電解質膜16及び第二電解質膜22には、水素イオン伝導性を有する、パーフルオロカーボンスルホン酸からなるフッ素系高分子電解質膜を用いたが、これ以外にも、旭化成(株)製のAciplex(登録商標)、旭硝子(株)製のFlemion(登録商標)など)や各種炭化水素系電解質膜を使用することができる。
As the
第一ガス拡散層19及び第二ガス拡散層25には、カーボンペーパーを用いて作製された多孔質構造を有する導電性基材に、フッ素樹脂を代表とする撥水性高分子樹脂である、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を分散させて構成された部材を用いたが、これ以外にも、導電性基材としては、カーボン微粉末、カーボンクロスなどを使用することができる。
The first
また、第一アノード20及び第二アノード26と第一カソード21及び第二カソード27には、白金系金属触媒を坦持したカーボン粉末とプロトン導電性を有する高分子材料を主成分とした多孔質部材を用いたが、これ以外にも、第一アノード20及び第二アノード26は、導電性を有し、且つ水素の酸化反応に対する触媒能を有するものであれば使用することができ、第一カソード21及び第二カソード27は導電性を有し、且つ酸素の還元反応に対する触媒能を有するものであれば使用することができる。
The
ガスケット33にフッ素ゴムを用いたが、これ以外にも、シリコーンゴム、天然ゴム、EPDM、ブチルゴム、塩化ブチルゴム、ポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリエステル系及びポリアミド系等の熱可塑性エラストマーを使用することができる。
Fluororubber is used for the
(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2における燃料電池スタックの斜視図を示すものである。また、図4は、本発明の実施の形態2における燃料電池スタックを、図3のII−II線で切断したときのセルモジュール断面図である。図3及び図4に示す実施の形態2における燃料電池スタックにおいて、図1及び図2に示す実施の形態1における燃料電池スタックと同一構成要素については同一符号を用いて、その重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a perspective view of the fuel cell stack according to
図3に示すように、実施の形態2における燃料電池スタック101Bは、セルモジュール1bが複数積層されて構成される。
As shown in FIG. 3, the
図4に示すように、実施の形態2におけるセルモジュール1bは、第一冷却セパレータ11、第一電解質膜−電極接合体12、中間セパレータ13b、第二電解質膜−電極接合体14、第二冷却セパレータ15の順に積層されて構成される。
As shown in FIG. 4, the
第一電解質膜−電極接合体12は、第一アノード触媒層17及び第一アノード触媒層17の外側に設けられた第一ガス拡散層19とで形成された第一アノード20が、第一冷却セパレータ11に接するように設けられ、さらに、第一カソード触媒層18及び第一カソード触媒層18の外側に設けられた第一ガス拡散層19とで形成された第一カソード21が、中間セパレータ13bに接するように設けられる。
The first electrolyte membrane-
また、第二電解質膜−電極接合体14は、第二アノード触媒層23及び第二アノード触媒層23の外側に設けられた第二ガス拡散層25とで形成された第二アノード26が、中間セパレータ13bに接するように設けられている。
The second electrolyte membrane-
中間セパレータ13bは、第二アノード26に接する面に第二燃料ガス流路31bが形成される。また、第二燃料ガス流路31bの流路断面積は、第一燃料ガス流路28の流路断面積よりも大きく構成されており、第二燃料ガス流路31bの流路断面積は第一燃料ガス流路28の流路断面積の1.1倍とする。
The
以上のように構成された燃料電池スタック101Bについて、以下その動作、作用を説明する。
The operation and action of the
まず、第二冷却セパレータ15の温度よりも中間セパレータ13bの温度の方が高いため、第一酸化剤ガス流路32を流れる酸化剤ガスの温度よりも第二酸化剤ガス流路30を流れる酸化剤ガスの温度の方が高くなる。
First, since the temperature of the
ここで、セルモジュール1bは、第一酸化剤ガス流路32の流路断面積よりも第二酸化剤ガス流路30の流路断面積の方が大きいため、第二酸化剤ガス流路30の圧損の増加を防止して第一酸化剤ガス流路32の圧損と等しくできる。
Here, since the
さらに、第一冷却セパレータ11の温度よりも中間セパレータ13bの温度の方が高いため、第一燃料ガス流路28を流れる燃料ガスの温度よりも第二燃料ガス流路31bを流れる燃料ガスの温度の方が高くなる。
Further, since the temperature of the
ここで、セルモジュール1bは、第一燃料ガス流路28の流路断面積よりも第二燃料ガス流路31bの流路断面積の方が大きいため、第二燃料ガス流路31bの圧損の増加を防止して第一燃料ガス流路28の圧損と等しくできる。
Here, in the
こうすることによって、第一酸化剤ガス流路32と第二酸化剤ガス流路30へ均一に酸
化剤ガスを供給することが可能となると共に、第一燃料ガス流路28と第二燃料ガス流路31bへ均一に燃料ガスを供給することが可能となり、電解質膜−電極接合体(第一電解質膜−電極接合体12と第二電解質膜−電極接合体14)を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータ13bであり、2枚の冷却セパレータ(第一冷却セパレータ11及び第二冷却セパレータ15)の間に複数の電解質膜−電極接合体(第一電解質膜−電極接合体12と第二電解質膜−電極接合体14)が介在する燃料電池スタック101Bであっても、発電性能低下を確実に抑制して良好な発電性能を維持することができる。
By doing so, it becomes possible to supply the oxidant gas uniformly to the first oxidant
以上のように、本発明にかかる燃料電池用スタックは、電解質膜−電極接合体を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が中間セパレータであり、2枚の冷却セパレータの間に複数の電解質膜−電極接合体が介在する構成であっても、発電性能低下を抑制して良好な発電性能を維持することが可能となるため、ポータブル電源、携帯機器用電源、電気自動車用電源、家庭用コージェネレーションシステム等の用途にも適用できる。 As described above, in the fuel cell stack according to the present invention, at least one of the two separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly is an intermediate separator, and a plurality of electrolyte membrane-electrodes are provided between the two cooling separators. Even in a configuration with a joined body, it is possible to maintain good power generation performance by suppressing power generation performance degradation, so portable power supplies, power supplies for portable devices, power supplies for electric vehicles, home cogeneration systems It can also be applied to other uses.
1a、1b セルモジュール
2a、2b 集電板
3 取り出し端子
4a、4b 端板
5 燃料ガス供給配管
6 冷却媒体供給配管
7 酸化剤ガス供給配管
8 燃料ガス排出配管
9 冷却媒体排出配管
10 酸化剤ガス排出配管
11 第一冷却セパレータ
12 第一電解質膜−電極接合体
13a、13b 中間セパレータ
14 第二電解質膜−電極接合体
15 第二冷却セパレータ
16 第一電解質膜
17 第一アノード触媒層
18 第一カソード触媒層
19 第一ガス拡散層
20 第一アノード
21 第一カソード
22 第二電解質膜
23 第二アノード触媒層
24 第二カソード触媒層
25 第二ガス拡散層
26 第二アノード
27 第二カソード
28 第一燃料ガス流路
29 第一冷却媒体流路
30 第二酸化剤ガス流路
31a、31b 第二燃料ガス流路
32 第一酸化剤ガス流路
33 ガスケット
34 第二冷却媒体流路
101A、101B 燃料電池スタック
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記電解質膜−電極接合体を挟む2枚のセパレータの少なくとも一方が前記中間セパレータであり、2枚の前記冷却セパレータの間に複数の前記電解質膜−電極接合体が介在する燃料電池スタックであって、
間に複数の前記電解質膜−電極接合体が介在する前記2枚の前記冷却セパレータのうちの一方の前記冷却セパレータは、酸化剤ガスを前記カソードに供給するための第一酸化剤ガス流路を有し、前記中間セパレータは、酸化剤ガスを前記カソードに供給するための第二酸化剤ガス流路を有し、前記第二酸化剤ガス流路の流路断面積が、前記第一酸化剤ガス流路の流路断面積よりも大きい、燃料電池スタック。 An electrolyte membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, a cooling separator in which a cooling medium flow path through which a cooling medium flows is formed, and an intermediate separator in which the cooling medium flow path is not formed ,
A fuel cell stack in which at least one of two separators sandwiching the electrolyte membrane-electrode assembly is the intermediate separator, and a plurality of the electrolyte membrane-electrode assemblies are interposed between the two cooling separators. ,
One cooling separator of the two cooling separators having a plurality of the electrolyte membrane-electrode assemblies interposed therebetween has a first oxidant gas flow path for supplying an oxidant gas to the cathode. The intermediate separator has a second dioxide gas channel for supplying an oxidant gas to the cathode, and a cross-sectional area of the first dioxide gas channel is the first oxidant gas flow. A fuel cell stack that is larger than the cross-sectional area of the channel.
Priority Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021128458A1 (en) * | 2019-12-23 | 2021-07-01 | 清华大学 | Fuel cell stack, bipolar plates, and gas diffusion layer |
-
2017
- 2017-01-25 JP JP2017011367A patent/JP2018120747A/en active Pending
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